(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、
前記半導体モジュールから伝熱するように、前記半導体モジュールの両側に配置された２つのヒートシンクと、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを収容するとともに、前記ヒートシンクに冷却用の空気を供給する通風口を有するケースと、
前記ヒートシンクと前記ケースとの間に配置され、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを前記ケース内に弾性的に支持する弾性部材とを備え、
少なくともひとつの前記半導体モジュールと、少なくとも２つの前記ヒートシンクとをひとつの半導体装置として、複数の前記半導体装置を備え、
前記ケース内には、複数の前記半導体装置が並べて収容されており、
前記弾性部材は、前記半導体装置と前記半導体装置との間にも配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクは複数のフィンを有し、複数の前記フィンの間に空気の通路を区画しており、
前記弾性部材は、前記フィンの先端側に位置する基板と、前記基板の両側から前記フィンの外側に沿って延び出す一対の側板と、前記基板から延び出し前記フィンの間に挿し込まれる複数のリブ板とを有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、
前記半導体モジュールから伝熱するように、前記半導体モジュールの両側に配置された２つのヒートシンクと、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを収容するとともに、前記ヒートシンクに冷却用の空気を供給する通風口を有するケースと、
前記ヒートシンクと前記ケースとの間に配置され、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを前記ケース内に弾性的に支持する弾性部材とを備え、
前記ヒートシンクは複数のフィンを有し、複数の前記フィンの間に空気の通路を区画しており、
前記弾性部材は、前記フィンの先端側に位置する基板と、前記基板の両側から前記フィンの外側に沿って延び出す一対の側板と、前記基板から延び出し前記フィンの間に挿し込まれる複数のリブ板とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
複数の前記リブ板の前記フィンの間への挿し込み高さは、前記ヒートシンクの放熱のための有効表面積および前記フィンの間の通路の断面積を調節するように設定されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
複数の前記リブ板は、前記フィンの間への挿し込み高さが異なる第１のリブ板と第２のリブ板とを含むことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記弾性部材は、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとの積層方向の両端に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを冷却するためのヒートシンクを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、制御回路部と、パワー配線部との間に、複数の半導体モジュールと冷却装置とを配置した多相電力変換装置を開示している。また、特許文献２は、複数の半導体モジュールのための水冷装置を開示している。さらに、特許文献３は、複数の空冷用ヒートシンクと、複数の半導体モジュールとを交互に積層する構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７３３７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１９１５２７号公報
【特許文献３】特開２００８−２７８５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および特許文献２の冷却装置は、２もしくはより多い半導体モジュールと、複数の冷却媒体管とを交互に積層している。しかも、複数の冷却媒体管は、熱交換器として一体化されている。このため、複数の半導体モジュールは、複数の冷却媒体管を介して支持され、固定されている。
【０００５】
一方、特許文献３の構成では、２もしくはより多い半導体モジュールと空冷ヒートシンクとを積層している。しかし、複数のヒートシンクを採用する構成では、それぞれのヒートシンクが独立した部品であることから、それらを安定的に固定することが困難であった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体モジュールとヒートシンクとを安定的に固定することができる電力変換装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、複数の半導体モジュールと複数のヒートシンクとを安定的に固定することができる電力変換装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、半導体モジュールとヒートシンクとの安定的な固定を実現しながら、ヒートシンクからの実質的な放熱面積の調節を可能とした電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、半導体モジュールから伝熱するように、半導体モジュールの両側に配置された２つのヒートシンクと、半導体モジュールとヒートシンクとを収容するとともに、ヒートシンクに冷却用の空気を供給する通風口を有するケースと、ヒートシンクとケースとの間に配置され、半導体モジュールとヒートシンクとをケース内に弾性的に支持する弾性部材とを備え、少なくともひとつの半導体モジュールと、少なくとも２つのヒートシンクとをひとつの半導体装置として、複数の半導体装置を備え、ケース内には、複数の半導体装置が並べて収容されており、弾性部材は、半導体装置と半導体装置との間にも配置されていることを特徴とする。この発明によると、半導体モジュールと２つのヒートシンクとをケース内に安定的に固定することができる。この発明によると、少なくともひとつの半導体モジュールと、少なくとも２つのヒートシンクとが、ひとつの半導体装置としてユニット化される。そして、複数の半導体装置の間にも弾性部材が配置されるから、それら複数の半導体装置の間の望ましくない衝突および摩擦を回避することができる。より具体的には、隣接する２つのヒートシンクの間の衝突および摩擦を回避することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、ヒートシンクは複数のフィンを有し、複数のフィンの間に空気の通路を区画しており、弾性部材は、フィンの先端側に位置する基板と、基板の両側からフィンの外側に沿って延び出す一対の側板と、基板から延び出しフィンの間に挿し込まれる複数のリブ板とを有することを特徴とする。この発明によると、弾性部材によってフィンの先端を保護することができる。また、フィンの外側において、フィンとケースとの間の望ましくない衝突および摩擦を回避することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、半導体モジュールから伝熱するように、半導体モジュールの両側に配置された２つのヒートシンクと、半導体モジュールとヒートシンクとを収容するとともに、ヒートシンクに冷却用の空気を供給する通風口を有するケースと、ヒートシンクとケースとの間に配置され、半導体モジュールとヒートシンクとをケース内に弾性的に支持する弾性部材とを備え、ヒートシンクは複数のフィンを有し、複数のフィンの間に空気の通路を区画しており、弾性部材は、フィンの先端側に位置する基板と、基板の両側からフィンの外側に沿って延び出す一対の側板と、基板から延び出しフィンの間に挿し込まれる複数のリブ板とを有することを特徴とする。この発明によると、半導体モジュールと２つのヒートシンクとをケース内に安定的に固定することができる。この発明によると、弾性部材によってフィンの先端を保護することができる。また、フィンの外側において、フィンとケースとの間の望ましくない衝突および摩擦を回避することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、複数のリブ板のフィンの間への挿し込み高さは、ヒートシンクの放熱のための有効表面積およびフィンの間の通路の断面積を調節するように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明によると、複数のリブ板は、フィンの間への挿し込み高さが異なる第１のリブ板と第２のリブ板とを含むことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、弾性部材は、半導体モジュールとヒートシンクとの積層方向の両端に配置されていることを特徴とする。この発明によると、半導体モジュールとヒートシンクとは、それらの積層方向に関して弾性的に支持される。この結果、半導体モジュールからヒートシンクへの伝熱状態を望ましい状態に維持しながら、それらをケース内に安定的に支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るインバータ装置を搭載した車両を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係るインバータ装置の回路図である。
【図３】第１実施形態に係るインバータ装置の外観を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態に係るパワーユニットの斜視図である。
【図５】第１実施形態に係るパワーユニットの正面図である。
【図６】第１実施形態に係るケースの分解状態を示す正面図である。
【図７】第１実施形態に係るパワーモジュールの組立体の正面図である。
【図８】第１実施形態に係る組立体の上面図である。
【図９】第１実施形態に係る組立体の分解状態を示す正面図である。
【図１０】第１実施形態に係る端部ユニットの分解状態を示す正面図である。
【図１１】第１実施形態に係る中間ユニットの分解状態を示す正面図である。
【図１２】第１実施形態に係る組立体の分解状態を示す上面図である。
【図１３】第１実施形態に係る弾性部材の側面図である。
【図１４】第１実施形態に係る組立体の分解状態を示す斜視図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る組立体の正面図である。
【図１６】第２実施形態に係る通風ダクトを示す上面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る組立体の正面図である。
【図１８】第３実施形態に係る通風ダクトを示す上面図である。
【図１９】本発明の第４実施形態に係る弾性部材の上面図である。
【図２０】本発明の第５実施形態に係る弾性部材の上面図である。
【図２１】本発明の第６実施形態に係る弾性部材の上面図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係る弾性部材の上面図である。
【図２３】本発明の第８実施形態に係る組立体の正面図である。
【図２４】本発明の第９実施形態に係る半導体装置の斜視図である。
【図２５】本発明の第１０実施形態に係る半導体装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るインバータ装置１を搭載した車両を示すブロック図である。第１実施形態では、本発明は、高出力モータを駆動するモータ駆動装置としてのインバータ装置１に適用される。このインバータ装置１は、直流電力と交流電力との間で双方向変換を行う装置、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相電力変換装置である。インバータ装置１は、交流モータ３を使用する車両、例えばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車に搭載される。インバータ装置１は、車両に搭載された走行用のモータ３に電力を供給できるように接続されている。インバータ装置１は、車両の後方に、バッテリ４と隣接するように搭載されている。インバータ装置１とバッテリ４とは、通風ダクト９ａ内に配置されている。通風ダクト９ａ内には、ファン９によって冷却風が流される。インバータ装置１とバッテリ４とは、通風ダクト９ａ内を流れる空気によって冷却される。通風ダクト９ａは、車外または車室内から空気を取り込み、車外に排出する。
【００１８】
図２は、インバータ装置１の回路図である。インバータ装置１は、大電力スイッチング素子を含むパワーモジュール２を有する。パワーモジュール２には、複数の半導体モジュール２２を備える。この実施形態では、三相電力変換のために、６個の半導体モジュール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆを備える。モータ３とバッテリ４との間の電力を制御する電力回路には、コンデンサ５、６と、抵抗７、８とが含まれている。さらに、インバータ装置１は、複数の半導体モジュール２２を制御する制御回路１ａを備える。
【００１９】
パワーモジュール２は、制御回路１ａによって制御され、バッテリ４の出力する直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。パワーモジュール２は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、付加的な保護素子としてのフリーホイーリングダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆとを備える。ひとつのＩＧＢＴと、ひとつのフリーホイーリングダイオードは、パッケージに収容され、ひとつの半導体モジュール２２を構成している。
【００２０】
制御回路１ａは、外部からの指令を入力することができる。制御回路１ａは、抵抗７，８によって検出されるパワーモジュール２からモータ３に供給される電流、及びコンデンサ６によって検出されるバッテリ４からパワーモジュール２に印加される電圧に基づいて、パワーモジュール２を制御する。制御回路１ａは、パワーモジュール２、抵抗７，８、及びコンデンサ６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
図３は、インバータ装置１の外観を示す斜視図である。インバータ装置１は、制御回路１ａを収容した制御ユニット１ｂと、パワーモジュール２を収容したパワーユニット１ｃと、コンデンサおよび高電圧配線を収容したコンデンサユニット１ｄとを備える。パワーユニット１ｃは、制御ユニット１ｂと、コンデンサユニット１ｄとの間に配置されている。パワーユニット１ｃは、ケース１０内にパワーモジュール２を収容している。パワーユニット１ｃは、複数の半導体モジュールと、それらを冷却する複数のヒートシンクとをケース内に収容した空冷型の電力変換装置である。ケース１０には、通風ダクト９ａと接続される空気の入り口および出口としての通風口１０ａが、対向する端面に設けられている。インバータ装置１は、図示せぬ複数の外部接続端子、例えば電力端子およびコネクタ、を有する。
【００２２】
図４は、パワーユニット１ｃの斜視図である。ケース１０は、６枚の板を組み合わせた箱である。ケース１０は、２つの側板１０ｂ、１０ｃと、底板１０ｄと、天板１０ｅと、２つのグリッド板１０ｆ、１０ｇを有する。底板１０ｄには、端子を貫通させて配置するための複数の開口部が設けられている。天板１０ｅには、端子を貫通させるための複数の開口部が設けられている。グリッド板１０ｆ、１０ｇには、入り口および出口としての通風口１０ａが設けられている。グリッド板１０ｆと、グリッド板１０ｇとは、対称の形状である。
【００２３】
図５は、パワーユニット１ｃの正面図である。グリッド板１０ｆは、ねじ１０ｈによって、側板１０ｂ、１０ｃに締め付けられて、固定されている。図示されるように、通風口１０ａからは、ケース１０内に収容されたパワーモジュール２の組立体２０が見える。
【００２４】
図６は、ケースの分解状態を示す正面図である。図６は、グリッド板１０ｆを取り去った状態を示している。側板１０ｂ、１０ｃには、ねじ１０ｈを受け入れる雌ねじ部１０ｊが設けられている。側板１０ｂ、１０ｃは、ねじ１０ｉによって、底板１０ｄと天板１０ｅとに締め付けられて、固定されている。底板１０ｄと天板１０ｅとには、ねじ１０ｉを受け入れる雌ねじ部１０ｋが設けられている。ねじ１０ｉと雌ねじ部１０ｋとは、組立体２０を締め付けてケース１０内に固定する締め付け装置を提供する。言い換えると、組立体２０は、少なくとも一組の対向している内壁間に挟まれて支持されている。
【００２５】
さらに、底板１０ｄと天板１０ｅとの間隔は、組立体２０を締め付けて固定できるように設定されている。この結果、組立体２０は、二組の対向している内壁間に挟まれて支持されている。
【００２６】
図７は、パワーモジュール２の組立体２０の正面図である。図８は、組立体２０の上面図である。組立体２０は、複数の半導体モジュール２２と、複数のヒートシンク２４と、複数の弾性部材２６とを備える。組立体２０は、構成部品を、弾性部材２６、ヒートシンク２４、半導体モジュール２２、ヒートシンク２４、および弾性部材２６の順で積層して構成されている。組立体２０の両端には、弾性部材２６が配置されている。弾性部材２６は、組立体２０の積層方向Ｚの両端面を覆っている。弾性部材２６は、組立体２０の高さ方向Ｙの両端面を、ほぼ覆っている。弾性部材２６は、端子を配置するために、半導体モジュール２２の直上部および直下部を覆わないように配置されている。弾性部材２６は、積層方向Ｚに関して隣接する２つのヒートシンク２４の間にも配置されている。ただし、通風方向Ｘに関して隣接する２つのヒートシンク２４の間には、弾性部材２６は配置されていない。言い換えると、積層方向Ｚに沿って隣接する２つの半導体装置２７の間には弾性部材２６が配置されているが、通風方向Ｘに沿って隣接する２つの半導体装置２７の間には弾性部材２６は配置されていない。弾性部材２６は、組立体２０を、ケース１０内に弾性的に支持する。さらに、弾性部材２６は、ヒートシンク２４とケース１０との間の望ましくない衝突および摩擦を回避する。また、弾性部材２６は、ヒートシンク２４とヒートシンク２４との間の望ましくない衝突および摩擦を回避する。
【００２７】
複数の半導体モジュール２２は、２行×３列の行列状に配列されている。通風方向と直交する積層方向Ｚに沿って並ぶ複数の半導体モジュール２２を行と呼び、通風方向Ｘに沿って並ぶ複数の半導体モジュール２２を列と呼ぶ。２つのヒートシンク２４の間に、半導体モジュール２２が配置されている。ひとつの半導体モジュール２２と、その両側に配置された一対のヒートシンク２４とは、ひとつの半導体装置２７を構成している。半導体装置２７は、２行×３列の行列状に配列されている。複数の半導体装置２７は、上流側の行と、下流側の行との温度差を抑制するために、２行に構成されることが望ましい。
【００２８】
図９は、組立体２０の分解状態を示す正面図である。図１０は、端部ユニット２８の分解状態を示す正面図である。図１１は、中間ユニット２９の分解状態を示す正面図である。図１２は、組立体２０におけるひとつの中間ユニット２９の分解状態を示す上面図である。
【００２９】
端部ユニット２８は、組立体２０の両端部に配置された第１弾性部材２６ａと、ひとつのヒートシンク２４とを備える。第１弾性部材２６ａは、最も端に配置されるヒートシンク２４と、側板１０ｂ、１０ｃとの間に配置される。
【００３０】
中間ユニット２９は、組立体２０の中間部分に配置された第２弾性部材２６ｂと、その両側に配置された少なくとも２つのヒートシンク２４とを備える。第２弾性部材２６ｂは、隣接する２つのヒートシンク２４の間に配置される。言い換えると、第２弾性部材２６ｂは、２つの半導体装置２７の間に配置される。中間ユニット２９は、ひとつの第２弾性部材２６ｂと、４つのヒートシンク２４とを備えている。第２弾性部材２６ｂは、その両側に配置される少なくとも２つのヒートシンク２４を連結している。第２弾性部材２６ｂは、２つの第１弾性部材２６ａによって構成することができる。図示から容易に理解されるように、端部ユニット２８は、ひとつの第１弾性部材２６ａと、その片側に配置された２つのヒートシンク２４とを備えている。弾性部材２６は、第１弾性部材２６ａと、第２弾性部材２６ｂとの両方を指す名称である。
【００３１】
複数のヒートシンク２４は、すべて同じ形状である。ヒートシンク２４はアルミニウム合金製である。ヒートシンク２４は、板状の基板２４ａと、複数のフィン２４ｂとを備える。基板２４ａは、通風方向Ｘと高さ方向Ｙとに沿って広がる平板である。基板２４ａは、半導体モジュール２２と平行に、かつ近接して配置されることによって、半導体モジュール２２の熱が伝熱するように配置される。フィン２４ｂは、基板２４ａから垂直に延び出すように、基板２４ａと一体的に構成されている。フィン２４ｂは、通風方向Ｘと積層方向Ｚとに沿って広がる平板である。隣接するフィン２４ｂの間には、冷却用の空気が流れる隙間が区画されている。言い換えると、ヒートシンク２４は、断面櫛歯状のブロック部材である。
【００３２】
図１３は、弾性部材２６の側面図である。弾性部材２６は、ゴム製または樹脂製である。さらに、弾性部材２６は、ヒートシンク２４に想定される温度範囲において所定の弾力性を維持できる耐熱性を有する。さらに、弾性部材２６は、電気絶縁性を有していてもよい。弾性部材２６は、ヒートシンク２４のフィンの先端側に噛み合うように形成されている。弾性部材２６とヒートシンク２４とは、弾性部材２６の弾性力によって一体的に連結されている。それぞれの弾性部材２６は、少なくとも２つのヒートシンク２４と連結されている。
【００３３】
弾性部材２６は、断面櫛歯状のブロック部材である。弾性部材２６は、基板２６ｃと、複数の突部２６ｄ、２６ｅとを有する。突部２６ｄ、２６ｅは、ヒートシンク２４の外側を、フィン２４ｂの先端側から覆うように形成されている。突部２６ｄ、２６ｅは、ヒートシンク２４と噛み合うように形成されている。突部２６ｄ、２６ｅは、一対の側板２６ｄと、複数のリブ板２６ｅとを有する。
【００３４】
基板２６ｃは、通風方向Ｘと高さ方向Ｙとに沿って広がる平板である。基板２６ｃは、複数のフィン２４ｂの先端を覆うように配置されている。
【００３５】
側板２６ｄは、基板２６ｃから垂直に延び出すように、基板２６ｃと一体的に構成されている。一対の側板２６ｄは、基板２６ｃの両端から延び出している。側板２６ｄは、通風方向Ｘと積層方向Ｚとに沿って広がる平板である。側板２６ｄは、ヒートシンク２４の最も端に位置するフィン２４ｂのさらに外側に位置づけられる。
【００３６】
複数のリブ板２６ｅは、基板２６ｃから垂直に延び出すように、基板２６ｃと一体的に構成されている。リブ板２６ｅは、通風方向Ｘと積層方向Ｚとに沿って広がる平板である。リブ板２６ｅは、フィン２４ｂとフィン２４ｂとの間に位置づけられる。一対の側板２６ｄと複数のリブ板２６ｅとは、複数のフィン２４ｂと噛み合うように形成されている。フィン２４ｂの間隔と、リブ板２６ｅの厚さとは、弾性部材２６がヒートシンク２４に圧入され、弾性力によって連結されるように形成されてもよい。複数のリブ板２６ｅのフィン２４ｂの間への挿し込み高さは、ヒートシンク２４の放熱のための有効表面積およびフィン２４ｂの間の通路の断面積を調節するように設定されている。
【００３７】
図６に戻って、弾性部材２６は、複数のヒートシンク２４を弾性的にケース１０内に支持する。弾性部材２６の基板２６ｃは、組立体２０がケース１０内に収容された状態において、弾性領域で変形している。また、側板２６ｄは、組立体２０がケース１０内に収容された状態において、弾性領域で変形している。言い換えると、組立体２０は、ケース１０内に、押し込まれた状態で収納されている。ケース１０は、車両に想定される振動では複数の半導体モジュール２２と複数のヒートシンク２４とが大きく動かない程度に、弾性部材２６をきつく締め付けている。複数の半導体装置２７は、少なくとも側板１０ｂと側板１０ｃとの間に、弾性部材２６を介して挟まれて支持されている。これにより、複数の半導体装置２７を簡単に固定することができる。しかも、複数の半導体装置２７を、長期間にわたって安定的に固定することができる。
【００３８】
さらに、弾性部材２６は、ヒートシンク２４と共同して空気が流れる通路を区画する。この結果、弾性部材２６は、冷却用の空気が望ましくない部位へ漏れることを防止する。
【００３９】
図１４は、組立体２０の半導体装置２７の分解状態を示す斜視図である。半導体モジュール２２は、パッケージ２２ｈと、コレクタ側電極端子２２ｋ、エミッタ側電極端子２２ｍ、及び複数の制御信号端子２２ｎを備えている。パッケージ２２ｈは、カード形状、または平板状と呼びうる形状である。パッケージ２２ｈは、エポキシ樹脂によって半導体素子をモールドすることによって構成されている。パッケージ２２ｈの両方の主面２２ｒ、２２ｓのほぼ中央には、放熱のための金属伝熱板２２ｔ、２２ｕが露出して配置されている。半導体装置２７は、半導体モジュール２２を両面から冷却することができる空冷型の半導体素子ユニットを提供している。半導体モジュール２２には、ひとつのＩＧＢＴ２０ａ〜２０ｆと、ひとつのフリーホイーリングダイオード２１ａ〜２１ｆとが内蔵されている。コレクタ側電極端子２２ｋとエミッタ側電極端子２２ｍと複数の制御信号端子２２ｎとは、パッケージ２２ｈの側面から主面２２ｒ、２２ｓと平行に延び出している。コレクタ側電極端子２２ｋとエミッタ側電極端子２２ｍとは、パッケージ２２ｈのひとつの側面から突出している。複数の制御信号端子２２ｎは、パッケージ２２ｈの反対側の側面から突出している。制御信号端子２２ｎは、制御ユニット１ｂに向かって延びだしおり、制御回路１ａと接続される。電極端子２２ｋ、２２ｍは、コンデンサユニット１ｄに向かって延び出しており、電力回路部品に接続される。よって、複数の半導体モジュールは、制御ユニット１ｂとコンデンサユニット１ｄとの間を接続するように配列されている。パッケージ２２ｈに収容されたＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードとは、金属伝熱板２２ｔと金属伝熱板２２ｕとの間に配置されている。ＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードとは、金属伝熱板２２ｔと金属伝熱板２２ｕとの両方にはんだ層によって接合されている。パッケージ２２ｈ内において、ＩＧＢＴのコレクタ及びエミッタに、フリーホイーリングダイオードのアノード及びカソードが、いわゆる逆向き並列に接続されている。金属伝熱板２２ｔ及び金属伝熱板２２ｕは、それぞれコレクタ側電極端子２２ｋ及びエミッタ側電極端子２２ｍに電気的に導通している。また、上記のはんだ層は他の接合機能材料に置換してもよい。
【００４０】
パッケージ２２ｈとヒートシンク２４との間には、セラミックからなる絶縁基板２３が配置されている。絶縁基板２３とヒートシンク２４との間、及び絶縁基板２３とパッケージ２２ｈとの間にはそれぞれ、良熱伝導性を有するシリコン系の放熱グリスが塗布されている。また、絶縁基板２３は、窒化アルミニウムフィルムやシリコンゴムシートで形成してもよい。絶縁基板２３及び放熱グリスは、絶縁性を有する放熱フィルムによって提供されてもよい。
【００４１】
インバータ装置１がモータ３に供給する電力を制御すると、半導体モジュール２２に発生した熱がヒートシンク２４に伝導する。一方、ファン９によって通風ダクト９ａ内に冷却空気が送風される。空気は、グリッド板１０ｆの通風口１０ａから、パワーユニット１ｃ内に流入する。パワーユニット１ｃ内では、空気は、すべてのヒートシンク２４の表面上を流れる。このとき、空気がヒートシンク２４を冷却する。空気は、グリッド板１０ｇの通風口１０ａから、パワーユニット１ｃ外に流入する。
【００４２】
インバータ装置１は以下の製造方法によって製造される。まず、ヒートシンク２４と弾性部材２６とが、組み合わせられる。次に、複数のヒートシンク２４と、複数の弾性部材２６と、複数の半導体モジュール２２とを、図示されるように配列し、積層することによって、組立体２０が組立てられる。複数の弾性部材２６は、組立体２０の積層方向Ｚの両端と、隣接する２つのヒートシンク２４の間とに配置される。次に、組立体２０が、ケース１０内に収容される。このとき、組立体２０は、側板１０ｂと側板１０ｃとの間に配置され、積層方向Ｚに沿って、ねじ１０ｉおよび雌ねじ部１０ｋによって締め付けられる。この結果、弾性部材２６の基板２６ｃは圧縮され、弾性変形する。さらに、組立体２０は、底板１０ｄと天板１０ｅとの間に配置され、締め付けられる。この結果、弾性部材２６の側板２６ｄは圧縮され、弾性変形する。これにより、組立体２０がケース１０内に安定的に支持される。さらに、グリッド板１０ｆ、１０ｇが側板１０ｂ、１０ｃに締め付けられる。このとき、グリッド板１０ｆ、１０ｇが、ヒートシンク２４および弾性部材２６を通風方向Ｘに沿って締め付けてもよい。
【００４３】
（第２実施形態）
図１５は、本発明の第２実施形態に係る組立体２２０の正面図である。図１６は、第２実施形態に係る通風ダクト２０９ａを示す上面図である。弾性部材２６は、冷却空気の流量を調節するために、高さが異なる複数のリブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３を有する。リブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３の高さは、ヒートシンク毎に異なっている。第１弾性部材２２６ａは、第１実施形態の第１弾性部材２６ａと同一の形状をもつ。第１弾性部材２２６ａの第１のリブ板２２６ｅ１は、高さＬ２１を有している。この高さＬ２１は、フィン２４ｂとフィン２４ｂとの間への挿し込み高さとも呼ばれる。第２弾性部材２２６ｂは、高さが異なる２種類の第２のリブ板２２６ｅ２と、第３のリブ板２２６ｅ３とを有する。第２のリブ板２２６ｅ２の高さはＬ２２である。第３のリブ板２２６ｅ３の高さはＬ２３である。リブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３の高さは、Ｌ２１＜Ｌ２２＜Ｌ２３の関係式を満たすように設定されている。組立体２２０の中央部に位置する第３のリブ板２２６ｅ３の高さは、組立体２２０の端に位置する第１のリブ板２２６ｅ１より高い。リブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３は、フィン２４ｂの表面を覆うことによって、熱交換のために有効な表面積を減らしている。さらに、リブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３は、複数のフィン２４ｂの間の隙間を塞ぐことによって、空気通路の断面積を減らしている。この結果、リブ板２２６ｅ１、２２６ｅ２、２２６ｅ３は、それらの高さが高くなるほど、ヒートシンク２４の放熱能力を減少させる。
【００４４】
この結果、組立体２２０の端に配置されたヒートシンク２４の放熱能力は、組立体２２０の中央部に配置されたヒートシンク２４の放熱能力よりも大きい。図示される構成は、組立体２２０の積層方向Ｚに関して供給風量の分布が生じる場合に有効である。例えば、通風ダクト２０９ａの場合、通路断面の形状は、上流から下流に向かって広がっている。この場合、供給風量は、中央部で多く、端で少なくなりやすい。組立体２２０は、供給風量が少ない位置に配置されたヒートシンク２４の放熱能力を、供給風量が多い位置に配置されたヒートシンク２４の放熱能力よりも大きく設定している。このため、部分的な放熱量の低下を抑制することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
図１７は、本発明の第３実施形態に係る組立体３２０の正面図である。図１８は、第３実施形態に係る通風ダクト３０９ａを示す上面図である。弾性部材２６は、冷却空気の流量を調節するために、高さが異なる複数のリブ板３２６ｅ１、３２６ｅ２、３２６ｅ３を有する。リブ板３２６ｅ１、３２６ｅ２、３２６ｅ３の高さは、ヒートシンク毎に異なっている。第１弾性部材３２６ａの第１のリブ板３２６ｅ１は、高さＬ３１を有している。第２弾性部材３２６ｂは、高さが異なる２種類の第１のリブ板３２６ｅ２と、第２のリブ板３２６ｅ３とを有する。リブ板３２６ｅ２の高さはＬ３２である。リブ板３２６ｅ３の高さはＬ３３である。リブ板３２６ｅ１、３２６ｅ２、３２６ｅ３の高さは、Ｌ３１＞Ｌ３２＞Ｌ３３の関係式を満たすように設定されている。組立体３２０の中央部に位置するリブ板３２６ｅ３の高さは、組立体３２０の端に位置するリブ板３２６ｅ１より高い。
【００４６】
この結果、組立体３２０の端に配置されたヒートシンク２４の放熱能力は、組立体３２０の中央部に配置されたヒートシンク２４の放熱能力よりも小さい。通風ダクト３０９ａの場合、通路断面の形状は、上流から下流に向かって縮小している。この場合、供給風量は、中央部で少なく、端で多くなりやすい。組立体３２０は、供給風量が少ない位置に配置されたヒートシンク２４の放熱能力を、供給風量が多い位置に配置されたヒートシンク２４の放熱能力よりも大きく設定している。このため、部分的な放熱量の低下を抑制することができる。
【００４７】
（第４実施形態）
図１９は、本発明の第４実施形態に係る弾性部材２６、４２６ｂの上面図である。ひとつのリブ板４２６ｂの高さは、ヒートシンク２４の通風方向Ｘの上流領域と下流領域とで異なる。弾性部材２６、４２６ｂのリブ板４２６ｅは、通風方向Ｘの上流側で高さＬ４１を有し、通風方向Ｘの下流側で高さＬ４２を有する。リブ板４２６ｅの高さは、段階的に変化している。この構成によると、下流側のヒートシンク２４の有効表面積を、上流側のヒートシンク２４の有効表面積に比べて大きくすることができる。このため、通風方向に沿って空気温度が上昇しても、下流側のヒートシンク２４において必要な放熱量を得ることができる。
【００４８】
（第５実施形態）
図２０は、本発明の第５実施形態に係る弾性部材２６、５２６ｂの上面図である。弾性部材２６、５２６ｂのリブ板５２６ｅは、通風方向Ｘの上流側で高さＬ５１を有し、通風方向Ｘの下流側で高さＬ５２を有する。リブ板５２６ｅの高さは、中間領域だけにおいて、テーパ状に徐々に変化している。
【００４９】
（第６実施形態）
図２１は、本発明の第６実施形態に係る弾性部材２６、６２６ｂの上面図である。弾性部材２６、６２６ｂのリブ板６２６ｅは、通風方向Ｘの上流側で高さＬ６１を有し、通風方向Ｘの下流側で高さＬ６２を有する。リブ板６２６ｅの高さは、中間領域だけにおいて、曲線状に徐々に変化している。
【００５０】
（第７実施形態）
図２２は、本発明の第７実施形態に係る弾性部材２６、７２６ｂの上面図である。弾性部材２６、７２６ｂのリブ板７２６ｅは、通風方向Ｘの上流側で高さＬ７１を有し、通風方向Ｘの下流側で高さＬ７２を有する。リブ板７２６ｅの高さは、通風方向Ｘの全体において、テーパ状に徐々に変化している。
【００５１】
（第８実施形態）
図２３は、本発明の第８実施形態に係る組立体８２０の正面図である。弾性部材２６、８２６ａ、８２６ｂは、複数のリブ板８２６ｅを有する。リブ板８２６ｅ１、８２６ｅ２の高さは、ヒートシンク２４上の高さ方向Ｙの中央領域と端領域とで異なる。複数のリブ板８２６ｅは、中央領域から端領域へ徐々に高さが高くなるように形成されている。高さ方向Ｙの中央領域に位置する第１のリブ板８２６ｅ１の高さＬ８１と、高さ方向Ｙの端領域に位置する第２のリブ板８２６ｅ２の高さＬ８２とは、Ｌ８１＜Ｌ８２の関係式を満たすように設定されている。
【００５２】
この結果、高さ方向Ｙの中央領域に位置するフィン２４ｂの有効表面積は、高さ方向Ｙの端領域に位置するフィン２４ｂの有効表面積よりも大きい。さらに、高さ方向Ｙの中央領域に位置するフィン２４ｂ間の通路断面積は、高さ方向Ｙの端領域に位置するフィン２４ｂ間の通路断面積よりも大きい。このため、高さ方向Ｙの中央領域の放熱能力は、高さ方向Ｙの端領域の放熱能力より大きい。この構成は、半導体モジュール２２の中央領域の熱を多く放熱させるために有効である。例えば、半導体モジュール２２の中央部に配置されたＩＧＢＴおよびフリーホイーリングダイオードからの熱を効率的に放熱することができる。なお、リブ板８２６ｅの高さは、求められる放熱量に応じて設定することができる。図示の構成に代えて、端領域のリブ板の高さを、中央領域のリブ板の高さより低くしてもよい。
【００５３】
（第９実施形態）
図２４は、本発明の第９実施形態に係る半導体装置９２７の斜視図である。半導体装置９２７は、半導体モジュール２２の両側に配置されたヒートシンク９２４を固定するための板ばね９１３を有する。ヒートシンク９２４は、基板９２４ａの高さ方向Ｙの両端に一対の端板９２４ｃを有する。端板９２４ｃは、複数のフィン９２４ｂより厚く、複数のフィン９２４ｂを保護する。基板９２４ａの高さ方向Ｙの両端には、補強部９２４ｄが設けられている。補強部９２４ｄは、基板９２４ａの残部よりも厚い。端板９２４ｃと補強部９２４ｄとは、板ばね９１３による締め付け力に抗してヒートシンク９２４の変形を防止する。板ばね９１３は、ブラケット型に成形されている。４つの板ばね９１３が、半導体装置９２７の四隅にそれぞれ設けられている。板ばね９１３は、２つのヒートシンク９２４の補強部９２４ｄを外側から締め付けている。この構成は、半導体装置９２７を部品として扱うことを可能とする。また、半導体モジュール２２とヒートシンク９２４との間の接触状態を、望ましい状態に設定することを可能とする。この半導体装置９２７は、先行する実施形態の半導体装置２７に代えて用いることができる。
【００５４】
（第１０実施形態）
図２５は、本発明の第１０実施形態に係る半導体装置１０２７の斜視図である。半導体装置１０２７は、第９実施形態のヒートシンク９２４を２つ連結した形状のヒートシンク１０２４を備える。よって、２つのヒートシンク１０２４の間には、２つの半導体モジュール２２が配置される。この半導体装置１０２７は、先行する実施形態の半導体装置２７に代えて用いることができる。
【００５５】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００５６】
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００５７】
上述の実施形態に加えて、さらに、グリッド板１０ｆとグリッド板１０ｇとの間隔も、組立体２０を締め付けて固定できるように設定してもよい。この場合、ねじ１０ｈと雌ねじ部１０ｊとは、組立体２０を締め付けてケース１０内に固定する締め付け装置を提供する。この場合、組立体２０は、三組の対向している内壁間に挟まれて支持される。また、ケース１０が有する三組の対向している内壁のうち、任意の一組または任意の二組が、組立体２０を締め付けるように構成してもよい。
【００５８】
上記実施形態では、半導体チップとして大出力用のＩＧＢＴが形成されているが、低出力用のＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
【００５９】
上記実施形態のインバータ装置により駆動されるモータの用途は、車両の走行に限らず、発電、エンジン始動、コンプレッサ等の補機の駆動等であり、その用途や必要能力に応じて、複数のモータを駆動したり、複数段に積載したインバータ装置を備えたりしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１      インバータ装置
２      パワーモジュール
３      モータ
４      バッテリ
１ａ    制御回路
１ｂ    制御ユニット
１ｃ    パワーユニット
１ｄ    コンデンサユニット
１０    ケース
１０ａ  通風口
２０    組立体
２２    半導体モジュール
２３    絶縁基板
２４    ヒートシンク
２４ａ  基板
２４ｂ  フィン
２６    弾性部材
２６ｃ  基板
２６ｄ  側板
２６ｅ  リブ板
２７    半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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